大型風(fēng)電機組主軸軸承壓緊工藝探討

席瑞萍

（太原重工新能源裝備有限公司， 山西 太原 030032）

0 引言

受生態(tài)環(huán)境變化及能源安全等問題的影響， 利用可再生能源風(fēng)能等推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型， 不僅是當(dāng)今國際共識， 也是世界經(jīng)濟發(fā)展的動力之一。 截止至2019 年底，我國已完成風(fēng)電裝機2.1 億kW， 在全球風(fēng)電市場的占比為33%， 同時也是全球風(fēng)電裝機量增長最為顯著的國家之一。 國內(nèi)風(fēng)電市場廠商眾多、競爭激烈，受市場競爭壓力加大、政府補貼退坡等諸多因素影響，度電成本作為決定報價的關(guān)鍵指標(biāo)，降低度電成本尤為重要。使得風(fēng)電機組發(fā)展呈現(xiàn)出單機功率大型化、 低風(fēng)速適應(yīng)性持續(xù)增強、零部件性能持續(xù)提升、風(fēng)電場智能化技術(shù)快速發(fā)展、電網(wǎng)友好型技術(shù)持續(xù)發(fā)展等趨勢。

其中，在低風(fēng)速適應(yīng)性持續(xù)增強方面，主要表現(xiàn)在為適應(yīng)面積約占全國風(fēng)能資源區(qū)的68%低風(fēng)速資源， 各大主流風(fēng)電設(shè)備企業(yè)開發(fā)了風(fēng)速最低下探至4.5m/s 的機型。 陸上風(fēng)機葉輪直徑已在短短的十幾年間從70 多米增長到了150 多米，海上風(fēng)機葉輪直徑更是長達180 多米，GE 甚至在2020 年度初宣布推出的下一代海上風(fēng)機葉輪直徑達到220m。

風(fēng)機向大型化發(fā)展，給主軸系統(tǒng)帶來了一定的困難，傳動鏈主要構(gòu)件的尺寸進一步加大，以主軸軸承為例，國內(nèi)某公司10MW 海上永磁直驅(qū)風(fēng)機使用的高可靠性單列圓錐滾子軸承外徑已分別達到3.2m 和3.1m。 作為風(fēng)機關(guān)鍵傳動部件， 主軸軸承的裝配質(zhì)量對運行過程中的可靠性起著較大影響。 本文就大型風(fēng)機主軸軸承裝配過程中的壓緊工藝環(huán)節(jié)進行探討。

1 主軸的傳動結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機組主傳動的核心部件是主軸軸承， 由于風(fēng)電機組使用的環(huán)境較為惡劣（包括腐蝕、風(fēng)潮濕和低溫），受載情況復(fù)雜[1]，除了在機組設(shè)計階段及型號選擇中應(yīng)進行充分的分析和論證外， 主軸軸承的裝配亦是主軸系統(tǒng)裝配中的重要一環(huán)。 在主軸軸承的各種失效形式中，因軸承安裝工藝或裝配使用工具不當(dāng)導(dǎo)致軸承過早損壞的比例約為16%。

隨著風(fēng)力發(fā)電機組功率的不斷提高， 以往在主軸支撐結(jié)構(gòu)中使用較多的調(diào)心滾子軸承正在逐漸地被圓錐滾子軸承方案所取代。常見的圓錐滾子軸承方案有三種，分別為雙列圓錐滾子軸承+圓柱軸承方案，兩個單列圓錐滾子軸承配合使用方案以及一個超大雙列圓錐滾子軸承方案[2]。這三種方案是風(fēng)機主軸上常見的圓錐滾子軸承選型方案，它們各有特點，適合于不同的風(fēng)機。

2 主軸軸承的安裝要求

本文以某型風(fēng)機主軸軸承為例進行分析。 該風(fēng)機選用的主軸軸承為兩個單列圓錐滾子軸承， 采用背對背的布置形式，此結(jié)構(gòu)一般為主軸被2 個圓錐滾子軸承支承，2 個主軸軸承共用1 個軸承座[3]，主軸一般為長度較長、直徑較小的結(jié)構(gòu)， 齒輪箱與主軸之間的連接多采用脹緊套或螺栓連接。此結(jié)構(gòu)軸承屬于可分離型軸承，內(nèi)圈與滾子、保持架一起組成的組件及外圈分別單獨安裝。通常情況下，在安裝時可以將內(nèi)圈、保持架、滾動體組件壓裝在主軸上，之后將外圈單獨裝進軸承座孔內(nèi)，裝配時需將2個軸承進行調(diào)節(jié)，預(yù)留一定的安裝預(yù)緊量。 通常情況下，軸承的內(nèi)圈與主軸處為過盈配合， 將軸承加熱至一定溫度后，可較容易套放在主軸軸頸上；但在軸承冷卻的過程中，軸承內(nèi)圈會沿寬度方向收縮，此時在軸承與軸套端面間會出現(xiàn)間隙，因此，在軸承冷卻過程中需采用合理的裝配工藝、適用的軸承壓緊工裝來控制軸向間隙，確保軸承內(nèi)圈端面與軸肩緊密貼合，最大間隙不大于0.1mm[4]。

3 壓緊工藝介紹

目前風(fēng)機主軸軸承常用的壓緊方法主要有[5]：

3.1 利用鎖緊螺母預(yù)緊

此方法需要設(shè)計一適用扳手卡住鎖緊螺母， 利用給定的力沖擊扳手，使螺母旋轉(zhuǎn)，同時靠力矩扳手?jǐn)Q緊鎖緊螺母產(chǎn)生的軸向力壓緊軸承。 在軸承溫度冷卻至室溫的過程中，需多次給扳手施加擰緊力，實現(xiàn)軸承的無間隙貼合， 使用塞尺測量軸承內(nèi)圈端面與軸肩間隙值不大于0.1mm 即可。 在完成軸承壓緊后，拆掉扳手，隨后根據(jù)裝配工藝完成后續(xù)工作。

3.2 利用液壓裝置進行壓緊

此方法需要設(shè)一轉(zhuǎn)軸在主軸套座內(nèi)， 同時設(shè)計一液壓機構(gòu)環(huán)座，安裝于主軸套座內(nèi)，環(huán)座的內(nèi)側(cè)安裝活塞環(huán)，環(huán)座與活塞環(huán)間設(shè)計液壓室，液壓室具有緩沖及推移的作用，通過液壓室的緩沖及軸承的預(yù)緊力施加給支撐轉(zhuǎn)軸， 以此改變主軸整體結(jié)構(gòu)的剛性及阻尼效果，達到預(yù)緊效果。

3.3 螺栓壓緊

根據(jù)此4.XMW 主傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計，在安裝軸承前需安裝端蓋， 主軸上用于固定壓緊工裝的孔距離軸承內(nèi)圈安裝位置約1000mm。 為確保在軸承熱裝后，通過預(yù)緊提高軸承剛度，保證預(yù)緊后的軸承受到工作載荷時，內(nèi)外圈的徑向和軸向變形相對于沒有預(yù)緊時要小得多， 就需選擇適用于現(xiàn)場安裝的省時、省力、又節(jié)約成本的壓緊工裝，本文選用螺栓壓緊方案。 介紹如下：

考慮到軸承加熱后的及時安裝壓緊，遵循縮短現(xiàn)場裝配工裝時間及拆裝方便原則，此方案改為：取消支撐，改為在主軸下方墊放一定厚度的底座，用螺桿將壓環(huán)1 與底座連接（為保證受力均勻，螺桿采用圓周24 個均布），見圖1。

表1 對鎖緊螺母壓緊方案、 液壓壓緊方案及螺栓壓緊方案就結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、制作、安裝、受力分布、壓緊效果等各方面進行了對比。

圖1 壓緊工裝

表1 方案對比

4 結(jié)束語

本文介紹了3 種常用軸承壓緊的方法， 并就以上3種壓緊方案闡述每種方案的優(yōu)缺點并進行綜合分析比較，選用了壓環(huán)螺桿方式更適用于現(xiàn)場安裝裝配，可用較少時間取得更好效果， 同時也為該種類型主軸軸承的壓緊提供了參考。